塑料检查井试验载荷平台设计与研究

谢 丽

（昆明铁道职业技术学院，云南昆明 650217）

0 引言

检查井俗称“窨井”，是在地下管线位置上每隔一定距离修建的竖井，是城市道路地下基础设施之一。传统检查井为砖砌或混泥土结构，浪费人工和材料，污染大，施工周期长；塑料检查井具有成本低、材料可循环利用、寿命长、不受环境影响等优点。目前，我国各级政府已经出台了禁止使用传统砖砌检查井，优先采用塑料检查井的政策。塑料检查井替代传统砖砌检查井是一项开发、节约、替代、推广、循环利用和治理污染的先进技术。由于塑料检查井埋于地下，地面及土体的动、静荷载让塑料检查井会发生变形，不仅缩短产品的使用寿命，而且降低产品的质量，所以必须保证塑料检查井力学性能达到国家规范要求。

根据生产企业质量控制需求，受昆明某塑胶有限公司的委托，设计一套能完成塑料检查井物理力学性能（包括轴向力、径向力和剪切力）检测的试验平台，满足企业自身的生产及检测要求。本项目将研究塑料检查井载荷试验平台的机械、液压和控制系统部分。

1 载荷试验平台结构组成

该载荷试验平台设计为双梁四柱的机械结构，机体为固定的框架式[1]，机架上方包括两个液压缸：大液压缸即加载液压缸，检测塑料检查井的轴向压力和径向压力；小液压缸为剪切液压缸，检测塑料检查井井座与连接管道的剪切压力，剪切液压缸悬挂在矩形导轨槽中，可以手动进行位置的调整，满足不同产品的承口部位剪切试验，塑料检查井试件采用手动放置在工作台上。

整个液压系统放在左边的操作柜里面，采用封闭式的液压柜，减少液压油泄漏的污染，电机带动液压泵，控制各个液压元件，集中放置。右边操作台包括电气柜和计算机，电气柜主要安装电气系统的动力元件，电机的断路器、接触器、继电器、接线端子排等以及可编程逻辑控制器；计算机操作台安装有个人电脑，实现人机界面对话，系统所有试验的进行都是在右边的操作台完成，独立的计算机+可编程逻辑控制器操作平台，方便操作控制。

2 载荷试验平台液压系统设计

2.1 液压系统控制要求

（1）液压系统动作要求。整个液压系统需要完成“快进—工进—保压—快退”4 个步骤，开始工作时，液压执行机构快进，快速接近试件；接触到试件时，压力增大，速度减小，进入到工进状态，液压执行机构根据设定的压力值施压；到达每个设定的压力值时，执行机构停止不动，保压一段时间；当完成试验任务后，液压执行机构快速退回原位，提高效率，为下次工作做好准备。

（2）施力控制要求。在工进状态时试验平台需要对塑料检查井轴向、径向、和管道接口处剪切方向分别施加压力。本系统采用应力（力）闭环控制，建立力直接反馈系统，利用比例阀和压力传感器，调节施力装置的工作状态。当进行轴向力、径向力试验时，施力过程分为3 个压力阶段，根据试件的尺寸确定出最大荷载压力，分别按照最大压力的50%、75%和100%进行加载。在剪切力试验时，根据试件的尺寸确定出最大荷载压力，大液压缸先施加10%的预紧力，夹紧试件后，小液压缸也按照最大压力的50%、75%和100%进行压力等级加载。

（3）变形量控制要求。利用位移传感器检测位移量，设定试验最大变形量，并记录每个压力等级下的变形量。在检测轴向力和径向力试验时，设置最大变形量为原内径尺寸的30%；在检测剪切力试验时，设置最大变形量为原内径尺寸的10%，超过最大变形量，停机，产品质量不达标。记录每个压力等级下的位移量，比较位移量与最大变形量的关系。如果变形量小于设定值，则增加试验压力，通过位移量来控制试验的进程。

2.2 液压施力闭环控制

本液压系统采用电液比例溢流阀构建的压力闭环控制。塑料检查井被压后的变形量通过压力传感器检测后记录在计算机中，位移量作为压力闭环中的一个参考量，而试验机在工作过程中压力的变化比较大，整个加压过程分级控制，压力信号是系统的一个主要控制量。通过改变比例溢流阀输入电信号的大小来调节其压力[2]。位移量的变化是否达到最大设定值，作为是否增加试验压力的依据，因而可从位移控制来控制试验的压力。另外，液压缸活塞的伸出量，可以引起施力的变化，所以试验的加载压力控制可以为：液压油缸压力的施力控制和位移变化的施力控制。本系统采用位移的变化与力的变化结合起来，确定压力目标值后，根据其变化率，适时调整施力装置的工作状态，让系统达到施力控制的目标[3]。

2.3 试验平台液压控制系统设计

综合考虑，试验台设一个液压站、两个液压缸。同时在大、小两个液压缸系统中配有T1、T3 两个压力传感器，分别显示大液压缸和小液压缸的工作时的初始压力、二次压力和三次压力，而T2、T4 两个位移传感器，则记录下每个压力值下检查井的位移量，实时监控试验台的运行状况。为保护两个液压缸的执行装置快速回位时，不发生安全事故，设置SQ1、SQ2 两个限位开关，执行装置碰到限位开关时，马上停止动作，当整个系统压力过载时，压力继电器发出信号，设备停机。试验台中计算机数据采集系统是通过回路中的传感器提供信号。

3 载荷试验平台计算机控制系统设计

（1）试验平台控制系统硬件设计。试验台的控制系统由上位机参数设定与显示（LabVIEW 界面）、PLC 可编程逻辑控制器（三菱）、放大环节与信号转换（A/D、D/A 转换器）、动力执行机构（液压缸）、信号反馈环节（压力、位移传感器）等组成，其结构框图如图1 所示。当液压系统的几个压力阶段和塑料检查井施压后的变形量，被压力传感器和位移传感器实时检测并传递给信号采集设备如：A/D 转换、D/A 转换，把信号从模拟量转换为数字量后写入到控制器中，通过控制器编制好的程序处理后，把信号经过D/A 转换后控制溢流阀的开口量；而开关量信号直接输入控制器，程序处理后控制器直接控制各个电磁阀的通断，把压力值和变形量实时记录在计算机中保存、分析和打印。

图1 电气控制结构

（2）控制系统设计。选定三菱FX2N-32MR 的基本单元，由于本系统主要是数字量传输，只有5 个模拟量信号，三菱PLC自带的特殊扩展模块可以满足要求，因此，选择三菱四通道模拟量输入模块FX2N-4AD，和两通道模拟量输出模块FX2N-2DA。其中，设定CH1、CH2、CH3、CH4 为模拟量通道，根据传感器的选型，4 个采集信号的输入通道为电压输入，范围为-10～+10 V；根据比例溢流阀的选型，一个控制量输出通道为电流输出，范围为4～20 mA，按照相应的接线方式将模块与PLC 连接，并根据相应的缓冲寄存器分配编程实现对模拟量的读写[4]。三菱PLC编程软件采用GX Developer，控制程序包括数据采集与输出、油缸的运动控制、油缸压力闭环控制（压力模式）等：①数据采集与输出是利用PLC 中FROM 和TO 命令调用转换器中的信息，实现数据信号进入控制器，同时，通过控制器把控制信号传送到液压元件；②加载油缸和剪切油缸的运动采用功能指令编程，通过控制电磁换向阀的通断、比例溢流阀阀口开启的大小，来控制液压系统中的压力、流量。通过分层控制，子程序的编写和调用，实现各功能块的任务，此部分是PLC 控制的核心部分，程序的开发，需要通过反复调试；③油缸压力闭环控制可以利用PLC 自带的PID 控制模块，可以在程序中直接调用PID 运算程序，这些参数随压力控制对象的要求而定，通过对4 个参数的整定，实现对压力闭环的过程优化控制。

（3）利用LabVIEW 的试验平台测试界面设计。使用Lab－VIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）软件设计的塑料检查井载荷试验平台控制系统，在整个试验过程中都能对压力、位移参数进行实时显示和监控。测试系统如果进入运行状态，“数据采集”模块便开始启动，把采集到的数据先进行保存，然后读取和处理；设置“数据处理”模块，通过对压力值和变形量数据的处理，转变成各种曲线，为产品性能的分析提供数据；该试验平台中需要提供塑料检查井产品合格资料或者不合格产品的试验数据，所以要“数据保存”功能；在测试结束后，需要对保存的数据进行读取和回放，设置了“数据读取”模块，按下停止按钮“数据采集”过程结束。在前面板图中设有两个指示灯，因为在试验时人很难判断塑料检查井是否破裂或者达到最大的变形量，一旦出现某些参数值超标，会造成设备的损坏甚至造成生产事故，因此要有预警和报警机制，在紧急情况到来时系统能够按照用户的指令作出相应的操作（图2）。系统以红灯闪烁提示塑料检查井破裂压溃进行报警，以黄灯闪烁作为预值报警，此时记录压力和位移数据并完成暂停或关机操作。

图2 控制系统前面板

要实现前面板设定的功能，后台会自动生成一个对应的编程控件，通过双击前面板控件可以与后面板对应上，然后通过连线实现，后面板就可以编写图形程序，后台编程可以采用整体编程也可以分成多个子程序进行编程[5]。

4 结束语

根据某塑胶有限公司的委托，在满足国家标准的前提下，研究与设计了一台塑料检查井载荷试验台，能检测该企业的37 种产品规格以及产品的力学性能指标。这台检测设备不仅能为企业节约外出送检的时间、节约外出送检的费用，大大节约人力和财力，还可以用于各种产品的耐外载荷测试（如包装物的堆码试验等），能实现一机多用，具有很好的经济价值。

本课题的设计与研究，为产品试验、产品出厂检验、质检等环节提供基础，具有广阔的市场空间和一定的社会效益。